强夯加固不同地下水位地基室内模型装置及测试方法
【专利摘要】本发明涉及强夯加固不同地下水位地基室内模型装置及测试方法，属岩土工程技术领域。模型装置由滑动横杆、滑动块、支架、落锤导向杆、半圆落锤、模型箱、孔隙水压力传感器或土压力盒、透水阻尼材料、数据采集系统和计算机组成。其中包括模型内箱和模型外箱，模型外箱控制水位高度，模型内箱填筑试验土样并埋设孔隙水压力传感器或土压力盒。本发明提供了强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验方法，可以通过观测不同地下水位强夯作用土体内部的变形，监测孔隙水压力的累积和消散变化等数据，有效解决强夯法加固不同地下水位地基的有效加固深度、孔隙水压力增长与消散规律以及施工工艺等诸多问题。
【专利说明】
强夯加固不同地下水位地基室内模型装置及测试方法
技术领域
[0001] 本发明属岩土工程技术领域，具体涉及强夯加固不同地下水位地基室内模型装置 及测试方法。
【背景技术】
[0002] 强穷法加固地基是法国梅那（Menard)技术公司1969年首创的一种地基加固方 法，亦称动力固结法。该法具有适用范围广、设备简单、节约材料、工期短、费用低等优点，因 而引入我国后也很快在全国各地得到了推广。目前，国内外对强夯法的加固机理、有效加固 深度、孔隙水压力的增长与消散规律的等均有研究。其中，对于强夯法加固地基的孔隙水压 力增长与消散规律研究还较少，尤其涉及不同地下水位地基的强夯加固，仍处于半理论半 经验的设计和施工状态，且国内外未有相关该方面研究的室内模型装置。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验装置及 测试方法，实现强夯加固地基的室内试验。尤其涉及不同地下水位的地基加固及测试方法， 提供了强夯法有效加固深度、孔隙水压力增长与消散规律以及施工工艺等室内模型研究的 新途径。
[0004] 本发明的技术方案如下：
[0005] -种强夯加固不同地下水位地基室内模型装置，包括强夯加固不同地下水位地基 室内模型装置本体，所述强夯法加固地基室内模型试验装置底部设置有模型箱，所述模型 箱由正面板、底面板和侧面板围成，所述侧面板的横截面为半圆环，所述底面板上还设置有 隔板，将模型箱分割为两部分，正面板、底面板和隔板围成的区域为模型内箱，正面板、侧面 板、底板和隔板围成的区域为模型外箱，所述隔板的横截面为半圆环，半径小于所述侧面 板，隔板上设置有透水口，孔隙水压力传感器或土压力盒埋设于模型内箱土样中；所述侧面 板底部与出水管相连。
[0006] 优选的是，所述模型外箱进行水位控制，所述模型内箱进行夯击试验。
[0007] 优选的是，所述模型内箱中，隔板和底面板上布置有透水阻尼材料。
[0008] 优选的是，出水管与模型外箱组成连通的U型管。
[0009] 优选的是，所述正面板为刻有网格线的有机玻璃板。
[0010] 优选的是，所述强夯加固不同地下水位地基室内模型装置由滑动横杆、滑动块、半 圆形梁、横梁、固定螺栓、滑轮、支架竖杆、落锤导向杆、半圆落锤、钢丝绳、模型箱、孔隙水压 力传感器或土压力盒、透水阻尼材料、数据采集系统和计算机组成；滑动横杆、滑动块、半圆 形梁、横梁、滑动螺栓、滑轮、支架竖杆、落锤导向杆、半圆落锤、钢丝绳组成加载系统；支架 由半圆形梁、横梁和支架竖杆焊接而成，位于模型箱上部，支架下部通过支架竖杆与模型内 箱焊接；滑动横杆通过栓接连接在半圆形梁和横梁之间；滑动块穿过滑动横杆，可沿滑动 横杆自由滑动；固定螺栓嵌入滑动块中；滑轮通过螺母分别固定于滑动块和支架竖杆上； 钢丝绳穿过滑轮，一端自由垂下，另一端与半圆落锤连接，并能将半圆落锤提升到不同高 度；落锤导向杆上部与滑动块栓接，下部悬空；落锤导向杆穿过半圆落锤的两个中心孔；模 型箱包括模型外箱和模型内箱，由正面加劲肋、有机玻璃板、侧面板、隔板、底面板和出水管 组成；模型内箱中，隔板和底面板上布置有透水阻尼材料，孔隙水压力传感器或土压力盒埋 设于模型内箱土样中；出水管与模型外箱连接，刻度线位于有机玻璃板表面。
[0011] 本发明还提供了一种强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验测试方法，步骤 如下：
[0012] 1)在模型内箱中分层填筑试验土样，在试验土样中埋设标记线、孔隙水压力传感 器或土压力盒，孔隙水压力传感器或土压力盒通过导线与外部数据采集系统连接；
[0013] 2)在模型外箱中注入一定量的水，并利用出水管调整水位高度，静置至水位恒 定；
[0014] 3)对静置完成后的土样进行加载试验，收集超静孔隙水压力、动应力和沉降量。
[0015] 优选的是，步骤1)中，所述土压力盒埋设水位面以上。
[0016] 优选的是，步骤1)中，所述的填筑试验土样操作包括以下步骤：
[0017] (1) 土料筛分：对土料进行筛分，通过1mm筛孔的筛余土留做试验土样；
[0018] (2) 土料穷填：将土样分层填筑于模型内箱，填筑厚度不宜大于10cm，填筑的同时 用小型夯锤夯实土样，直到达到现场地基的压实度。
[0019] 优选的是，步骤2)中，所述静置过程中，若模型外箱水位下降则补充注水，直至模 型外箱水位恒定。
[0020] 优选的是，步骤3)中，所述的孔隙水压力监测、动应力监测包括以下步骤：
[0021] (1)初始平衡：试验开始前对传感器进行初始平衡，检查各传感器是否正常，正常 后进行试验；
[0022] (2)试验监测：采用动态监测仪对夯击试验进行动态连续监测，夯击试验完成后 继续进行监测，直至孔隙水压力稳定。
[0023] 本发明中，透水阻尼材料13布置于隔板21内侧和底面板22上，试验填土填筑在 透水阻尼材料13上；透水阻尼材料由两层土工布中间夹细砂组成，厚度为lcm，其主要作用 一方面具有透水功能且能阻止模型内箱试验土颗粒流出，另一方面形成粘性边界，减小试 验时振动波的反射，减低试验误差。
[0024] 本发明中，模型箱11半圆侧面板共2块，侧面板和隔板各1块，其中隔板21留有 透水孔，水可以透过该透水孔与模型外箱自由交换，使模型内箱和外箱水位面持平；侧面板 20不透水，侧面板20底部外侧与出水管23连接，使出水管23与模型内箱17形成U型管； 出水管23末端为橡皮管，通过调整出水管23的高度进而调整模型箱11内整个水位面的高 度，并可使试验时水位面固定；底面板22与侧面板焊接。
[0025] 本发明中，模型箱11的正面是有机玻璃板19,外表面刻有lcmX 1cm的刻度线24， 用于控制布设的测点位置以及进行坐标读取的参考基准。
[0026] 本发明中，高度调节螺栓25位于支架竖杆7上，用于调整支架竖杆7的高度。
[0027] 本发明的工作过程如下：
[0028] 模型内箱17隔板内侧和底面板布设透水阻尼材料13。透水阻尼材料13布设完成 后，在模型内箱17中分层填筑试验土样，具体层数由试验需要确定，并在试验土样中埋设 带有颜色的塑料彩带作为标记线。填筑试验土样的过程中埋设孔隙水压力传感器或土压力 盒12,具体埋设数量根据试验需要确定，水位面以上埋设土压力盒，水位面以下埋设孔隙水 压力传感器，孔隙水压力传感器或土压力盒12通过导线与外部数据采集系统14连接，进行 数据采集。试验土样填筑完成后，在模型外箱16中注入一定量的水，并根据试验需要，利用 出水管23对水位高度进行调整并固定，将注水后的模型箱11静置足够长时间直到模型外 箱16中的水位高度不再变化。对静置完成后的土样进行加载试验，加载前将落锤导向杆8 穿过半圆落锤9的两个中心小孔，通过滑动块2在滑动横杆1上的移动精确定位预设的夯 击点，定位完毕后拧紧固定螺栓5。通过钢丝绳10上下移动半圆落锤9,得到所需要的夯锤 落距，然后放开钢丝绳10,让半圆落锤9自由下落夯击土体，并可进行多次夯击。在整个夯 击过程中，通过孔隙水压力传感器或土压力盒12监测土体内部的超静孔隙水压力的累积 及消散和动应力，通过刻有网格线的有机玻璃板19直接读取沉降量。可以重复以上过程就 可进行强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验。通过采集系统14采集到的孔隙水压 力数据、观测到的水位高度及土体变形，就可以分析强夯法的加固效果，研究分析不同地下 水位、不同夯击参数对强夯加固地基的加固深度、孔隙水压力的累积和消散规律及施工工 艺等进行系统研究，优化强夯加固的设计和施工。
[0029] 本发明的有益效果：
[0030] 1.本发明装置的优点在于模型箱由外箱和内箱组成，模型外箱可以控制水位高 度，模型内箱用于土体夯击试验，方便进行不同地下水位地基的强夯试验；其次，可以精确 控制落锤高度和落锤位置，能提供不同能级的单击强夯能；最后，本发明装置可以实时监测 强夯作用下孔隙水压力及土体内部变形等相关数据，对强夯加固效果的分析提供了充足数 据支持。
[0031] 2.本发明的检测方法简单高效，可快速分析强夯法的加固效果，研究分析不同地 下水位、不同夯击参数对强夯加固地基的加固深度、孔隙水压力的累积和消散规律及施工 工艺等进行系统研究，优化强夯加固的设计和施工。
【附图说明】
[0032] 图1--本发明装置主视图。
[0033] 图2--本发明装置侧视图。
[0034] 图3--本发明装置俯视图。
[0035] 图4一一本发明装置中模型箱和测量装置。
[0036] 图5--本发明装置水位调整不意图。
[0037] 其中，1滑动横杆、2滑动块、3半圆形梁、4横梁、5固定螺栓、6滑轮、7支架竖杆、8 落锤导向杆、9半圆落锤、10钢丝绳、11模型箱、12孔隙水压力传感器或土压力盒、13透水阻 尼材料、14数据采集系统、15计算机、16模型外箱、17模型内箱、18正面加劲肋、19有机玻 璃板、20侧面板、21隔板、22底面板、23出水管、24刻度线、25高度调节螺栓。
【具体实施方式】
[0038] 一、强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验装置设计
[0039] 本发明是基于相似第定理进行强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验装置 设计及测试的。根据相似性力学原理及原型条件设计、制造模型并进行模型试验。
[0040] 1.相似准则及相似指标的推导
[0041] 利用相似第二定理，即量纲分析法进行强夯室内模型的相似比推导。影响强夯加 固效果的主要影响因素有土体本身性质和强夯法的工艺参数两方面，这两方面因素互相促 进与互相制约。初步判断为土体本身的性质主要包括土体密度P、含水率ω和地下水位埋 深1ι ω;强夯法的工艺参数主要包括单击夯击能Ε、锤重W、落距h、夯击次数Ν、夯锤直径D、夯 点间距b、夯击时间间隔t。强夯的加固效果通过有效加固深度H、有效加固半径R、夯沉量 s、动应力σ和超静孔隙水压力P来表述，因此这些物理量为试验需要获得的因变量。
[0042] 强夯过程设计的基本量纲有长度[L]，时间[Τ]和质量[Μ]，物理量以及量纲汇总 如下表所示。
[0043] 表1强夯过程涉及的物理量及量纲
[0044]
[0045] 根据：π定理，选取锤重W、落距h和穷击时间间隔t为基本变量，即Xi= W，X 2 = h，x3= t，它们满足量纲分析对基本物理量的要求。强穷加固过程的物理量总数目η = 15， π 数目=η-3 = 12〇 令 χ4= Η，X 5= R，X 6= s，X 7= σ , χ 8= ρ, χ 9= ρ，χ 10= ω，χ η = 1ιω，χ12= Ε，χ 13= Ν，χ 14= D，χ 15= b，即可得到12个无量纲3?数，由此可以得到11个相 似准则及相似指标，如下所示：
[0058] 1· 2相似系数确定
[0059] 由上可以看出，强夯过程涉及到的多个变量之间的相似指标存在一定的关系，如 果确定了锤重相似系数C w、落距相似系数Ch和强夯时间间隔相似系数C t，则其他的相似系 数可通过相似指标相应确定，从而能够保证原型与模型土样中有效加固深度、有效加固半 径、沉降量、动应力和超静孔隙水压力的相似。
[0060] 现场米用的穷锤锤重为10t，底面直径为2. 2m，高度为0. 9m，落距8m~15m，强穷 的时间间隔为3~4min。为增加模型试验的可操作性，试验模型的体积不能过大，同时为了 保证试验的精确度，试验模型的体积也不能太小。根据文献资料及现场施工经验，确定了锤 重的相似系数C w= 15000,落距的相似系数(\= 25,时间间隔的相似系数Ct= 7,则所有相 似系数可由该基本相似系数的出，汇总如下：
[0061] 锤重相似系数Cw= 15000,落距相似系数Ch= 25,时间相似系数Ct= 7
[0062] 1)有效加固深度相似系数CH= 25，
[0063] 2)有效加固半径相似系数CR= 25，
[0064] 3)沉降量相似系数Cs= 25，
[0065] 4)动应力相似系数C。= 12，
[0066] 5)超静孔隙水压力相似系数Cp= 12，
[0067] 6) 土体密度相似系数为Cp = 1，
[0068] 7) 土体含水率相似系数(^= 1，
[0069] 8)地下水位埋深相似系数'=25，
[0070] 9)单击夯击能相似系数为CE= 187500，
[0071] 1〇)夯击次数π 1Q= N，相似指标为CN= 1，
[0072] 11)夯锤直径相似系数CD= 25，
[0073] 12)夯点间距相似系数Cb= 25。
[0074] 1. 3模型槽尺寸确定
[0075] 根据相似性系数及现场试验工况，可以推求模型槽的尺寸。本发明确定模型外箱 尺寸为500mmX700mm(RXH)的半圆形，模型内箱尺寸为400mmX700mm(RXH)的半圆形，支 架竖杆长度为1300mm，模型可以模拟的最大穷击能为1500kN · m。
[0076] 二、强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验测试方法
[0077] 强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验方法按照如下步骤进行：
[0078] 步骤1，试验准备，包括夯填土料、埋设孔隙水压力计或动土压力盒、调整水位埋 深。
[0079] 步骤2,设计试验工况，包括调整夯锤高度、调整夯锤锤径。
[0080] 步骤3,试验监测，包括沉降量监测、孔隙水压力监测、动应力监测。
[0081] 将按照上述步骤试验监测数据进行汇总后，将各监测数据乘以对应指标的相似性 系数，可得到现场实际数据。相似性系数中引入时间相似性系数仏，缩短了模型孔隙水压力 累积和消散的试验时间，加快了时间进度。
[0082] 下面通过实施例进一步描述本发明。
[0083] 实施例1，如图1~图5,模型箱11包括模型外箱16和模型内箱17,模型外箱16 尺寸为500mmX700mm(RXH)的半圆形，内模型箱尺寸为400mmX700mm(RXH)的半圆形。 模型箱11的半圆侧面板20、21以及底板22均为厚度为4_的钢板，其中模型外箱16不透 水，模型内箱17半圆侧面板留有透水孔，透水性较好；模型箱11正面为厚度10_的有机玻 璃板19,插入围绕模型箱内壁的橡胶槽内，并利用玻璃胶密封有机玻璃板与模型箱之间的 缝隙；模型箱正面有机玻璃板19外表面刻有lcmX lcm的刻度线24,用于控制布设的测点 位置以及进行坐标读取的参考基准。模型外箱16的半圆侧面板底部与直径为10_的出水 管23连接，出水管23与半圆侧面板20连接段为厚度2mm钢板制成，中间段为橡胶管，末段 为一透明玻璃管，用于控制水位高度。支架竖杆7为长度1300mm，宽度30mm，厚度4mm的角 钢，与模型内箱17半圆侧面板外侧焊接，共三根。横梁4为长度为900mm，宽度30mm，厚度 4mm的角钢，与两根支架竖杆7焊接在一起。半圆形梁3为半径400mm，横断面为宽度30mm， 厚度4mm的角钢，与三根支架竖杆7焊接在一起。滑动横杆1长度900mm，宽度30mm，厚度 4_的角钢，两端分别栓接在半圆形梁3和横梁4上，并穿过滑动块2。滑动块2可以沿滑 动横杆1自由滑动，用于精确控制半圆落锤9的落锤位置。落锤导向杆8为长度1300_， 直径5mm的钢制光滑杆，栓接于滑动块下方，共两根，用于避免落锤下落时的左右摆动。滑 轮6为直径50mm的塑料滑轮，分别栓接于滑动块2上和支架竖杆7上，共两个。光滑钢丝 绳10-端连接半圆落锤9,另一端依次穿过两个滑轮6自由垂下，钢丝绳表面标记刻度，用 于精确控制落锤的落距。半圆落锤9开有贯穿夯锤的两个小孔，小孔直径为6_。模型外箱 16中注入水，并通过出水管23调整水位面高度，模型内箱17中填筑试验土样，在土样内部 埋置13个孔隙水压力传感器或土压力盒12。具体参照图1~图5,本领域的技术人员均能 顺利实施本方案。
【主权项】
1. 一种强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验装置，包括强夯法加固地基室内模 型试验装置本体，其特征在于，所述强夯法加固地基室内模型试验装置底部设置有模型箱， 所述模型箱由正面板、底面板和侧面板围成，所述侧面板的横截面为半圆环，所述底面板上 还设置有隔板，将模型箱分割为两部分，正面板、底面板和隔板围成的区域为模型内箱，正 面板、侧面板、底板和隔板围成的区域为模型外箱，所述隔板的横截面为半圆环，半径小于 所述侧面板，隔板上设置有透水口，孔隙水压力传感器或土压力盒埋设于模型内箱土样中； 所述侧面板底部与出水管相连。2. 权利要求1所述的室内模型试验装置，其特征在于，所述模型内箱中，隔板和底面板 上布置有透水阻尼材料。3. 权利要求1所述的强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验装置，其特征在于， 出水管与模型外箱组成连通的U型管。4. 根据权利要求1所述的强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验装置，其特征在 于，所述正面板为刻有网格线的有机玻璃板。5. 权利要求1所述的室内模型试验装置，其特征在于，强夯法加固地基室内模型试验 装置本体由滑动横杆、滑动块、半圆形梁、横梁、固定螺栓、滑轮、支架竖杆、落锤导向杆、半 圆落锤、钢丝绳、模型箱、孔隙水压力传感器或土压力盒、透水阻尼材料、数据采集系统和计 算机组成；滑动横杆、滑动块、半圆形梁、横梁、滑动螺栓、滑轮、支架竖杆、落锤导向杆、半 圆落锤、钢丝绳组成加载系统；支架由半圆形梁、横梁和支架竖杆焊接而成，位于模型箱上 部，支架下部通过支架竖杆与模型内箱焊接；滑动横杆通过栓接连接在半圆形梁和横梁之 间；滑动块穿过滑动横杆，可沿滑动横杆自由滑动；固定螺栓嵌入滑动块中；滑轮通过螺母 分别固定于滑动块和支架竖杆上；钢丝绳穿过滑轮，一端自由垂下，另一端与半圆落锤连 接，并能将半圆落锤提升到不同高度；落锤导向杆上部与滑动块栓接，下部悬空；落锤导向 杆穿过半圆落锤的两个中心孔；模型箱包括模型外箱和模型内箱，由正面加劲肋、有机玻 璃板、侧面板、隔板、底面板和出水管组成；模型内箱中，隔板和底面板上布置有透水阻尼材 料，孔隙水压力传感器或土压力盒埋设于模型内箱土样中；出水管与模型外箱连接，刻度线 位于有机玻璃板表面。6. -种强夯法加固不同地下水位地基室内模型试验测试方法，其特征在于，步骤如 下： 1) 在模型内箱中分层填筑试验土样，在试验土样中埋设标记线、孔隙水压力传感器或 土压力盒，孔隙水压力传感器或土压力盒通过导线与外部数据采集系统连接； 2) 在模型外箱中注入一定量的水，并利用出水管调整水位高度，静置至水位恒定； 3) 对静置完成后的土样进行加载试验，收集超静孔隙水压力和动应力和沉降量。7. 如权利6所述的测试方法，其特征在于，步骤1)中，所述土压力盒埋设水位面以上。8. 如权利6所述的测试方法，其特征在于，步骤1)中，所述的填筑试验土样操作包括以 下步骤： (1) 土料筛分：对土料进行筛分，通过1mm筛孔的筛余土留做试验土样； (2) 土料夯填：将土样分层填筑于模型内箱，填筑厚度不宜大于10cm，填筑的同时用小 型夯锤夯实土样，直到达到现场地基的压实度。9. 如权利6所述的测试方法，其特征在于，步骤2)中，所述静置过程中，若模型外箱水 位下降则补充注水，直至模型外箱水位恒定。10.如权利6所述的测试方法，其特征在于，步骤3)中，所述的孔隙水压力监测、动应力 监测包括以下步骤： (1) 初始平衡：试验开始前对传感器进行初始平衡，检查各传感器是否正常，正常后进 行试验； (2) 试验监测：采用动态监测仪对夯击试验进行动态连续监测，夯击试验完成后继续 进行监测，直至孔隙水压力稳定。
【文档编号】E02D33/00GK105986582SQ201510047428
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月29日
【发明人】宋修广, 毕玉峰, 厉超, 张宏博, 陈晓光, 于凡, 于一凡, 李进
【申请人】山东大学